Nitruración

La nitruración es un proceso de tratamiento térmico que difunde nitrógeno en la superficie de un metal para crear una superficie endurecida . Estos procesos se utilizan con mayor frecuencia en aceros de baja aleación. También se utilizan en titanio , aluminio y molibdeno .

Las aplicaciones típicas incluyen engranajes , cigüeñales , árboles de levas , seguidores de levas , piezas de válvulas , tornillos de extrusora , herramientas de fundición a presión , matrices de forja , matrices de extrusión , componentes de armas de fuego , inyectores y herramientas de moldeo de plástico . ^[1]

Los procesos reciben su nombre según el medio utilizado para la donación. Los tres métodos principales utilizados son: nitruración gaseosa , nitruración con baño de sal y nitruración por plasma .

En la nitruración gaseosa, el donante es un gas rico en nitrógeno, normalmente amoniaco (NH3 ₎ , por lo que a veces se la conoce como nitruración por amoniaco . ^[2] Cuando el amoniaco entra en contacto con la pieza de trabajo calentada, se disocia en nitrógeno e hidrógeno. Luego, el nitrógeno se difunde sobre la superficie del material creando una capa de nitruro. Este proceso existe desde hace casi un siglo, aunque solo en las últimas décadas ha habido un esfuerzo concentrado para investigar la termodinámica y la cinética involucradas. Los desarrollos recientes han llevado a un proceso que se puede controlar con precisión. El espesor y la constitución de la fase de las capas de nitruración resultantes se pueden seleccionar y el proceso se puede optimizar para las propiedades particulares requeridas.

Las ventajas de la nitruración gaseosa frente a otras variantes son:

• Control preciso del potencial químico del nitrógeno en la atmósfera de nitruración mediante el control del caudal de gas de nitrógeno y oxígeno.
• Efecto de nitruración integral (puede ser una desventaja en algunos casos, en comparación con la nitruración por plasma)
• Es posible fabricar lotes de gran tamaño, siendo el factor limitante el tamaño del horno y el flujo de gas.
• Con el moderno control informático de la atmósfera, los resultados de la nitruración se pueden controlar de cerca.
• Coste de equipo relativamente bajo, especialmente en comparación con el plasma

Las desventajas de la nitruración gaseosa son:

• La cinética de reacción está muy influenciada por la condición de la superficie: una superficie aceitosa o contaminada con fluidos de corte arrojará malos resultados.
• A veces se requiere la activación de la superficie para tratar aceros con un alto contenido de cromo: compare la pulverización catódica durante la nitruración por plasma
• El amoniaco como medio de nitruración, aunque no es especialmente tóxico, es nocivo si se inhala en concentraciones elevadas. Además, se debe tener cuidado al calentar en presencia de oxígeno para reducir el riesgo de explosión.

En la nitruración por baño de sal, el medio donador de nitrógeno es una sal que contiene nitrógeno, como la sal de cianuro . ^{[ cita requerida ]} Las sales utilizadas también donan carbono a la superficie de la pieza de trabajo, lo que hace que el baño de sal sea un proceso de nitrocarburación. ^{[ cita requerida ]} La temperatura utilizada es típica de todos los procesos de nitrocarburación: 550 a 570 °C. ^{[ cita requerida ]} Desafortunadamente, dado que las sales utilizadas son extremadamente tóxicas, las regulaciones ambientales y de seguridad modernas han hecho que este proceso caiga en desgracia. ^{[ cita requerida ]}

Las ventajas de la nitruración salina son:

• Tiempo de procesamiento rápido: generalmente alrededor de 4 horas para lograr la difusión deseada, mientras que otros métodos demoran más. ^{[ cita requerida ]}
• Operación sencilla: el baño de sal y las piezas de trabajo se calientan a la temperatura deseada y las piezas de trabajo se sumergen durante un período de tiempo determinado. ^{[ cita requerida ]}

Las desventajas son:

• Las sales utilizadas son altamente tóxicas ^{[ cita requerida ]} – Su eliminación está controlada por estrictas leyes ambientales en los países occidentales. ^{[ cita requerida ]}
• Costo – Estas regulaciones han incrementado los costos involucrados en el uso de baños de sal.
• Sólo es posible un proceso con un tipo particular de sal: dado que el potencial de nitrógeno lo determina la sal, sólo es posible un tipo de proceso. ^{[ cita requerida ]}

La nitruración por plasma, también conocida como nitruración iónica , nitruración iónica de plasma o nitruración por descarga luminiscente , es un tratamiento industrial de endurecimiento de superficies para materiales metálicos.

En la nitruración por plasma, la reactividad de los medios nitrurantes no se debe a la temperatura sino al estado ionizado del gas. En esta técnica se utilizan campos eléctricos intensos para generar moléculas ionizadas del gas alrededor de la superficie a nitrurar. Tal gas altamente activo con moléculas ionizadas se denomina plasma , dando nombre a la técnica. El gas utilizado para la nitruración por plasma suele ser nitrógeno puro , ya que no se necesita descomposición espontánea (como es el caso de la nitruración con amoniaco). Existen plasmas calientes tipificados por chorros de plasma utilizados para corte de metales, soldadura , revestimiento o pulverización. También existen plasmas fríos, generados habitualmente en el interior de cámaras de vacío , a regímenes de baja presión .

Por lo general, los aceros se tratan de forma beneficiosa con nitruración por plasma. Este proceso permite un control minucioso de la microestructura nitrurada, lo que permite la nitruración con o sin formación de capas de compuesto. No solo se mejora el rendimiento de las piezas metálicas, sino que también aumenta la vida útil, el límite de deformación y la resistencia a la fatiga de los metales tratados. Por ejemplo, las propiedades mecánicas del acero inoxidable austenítico, como la resistencia al desgaste, se pueden aumentar significativamente y la dureza superficial de los aceros para herramientas se puede duplicar. ^{[3] [4]}

Una pieza nitrurada por plasma suele estar lista para su uso. No requiere mecanizado, pulido ni ninguna otra operación posterior a la nitruración. Por tanto, el proceso es fácil de usar, ahorra energía porque funciona más rápido y causa poca o ninguna distorsión.

Este proceso fue inventado por el alemán Bernhardt Berghaus, que más tarde se instaló en Zúrich para escapar de la persecución nazi. Tras su muerte a finales de los años 60, el proceso fue adquirido por el grupo Klockner y se popularizó a nivel mundial.

La nitruración por plasma suele combinarse con un proceso de deposición física de vapor (PVD) y un tratamiento dúplex etiquetado, con mayores beneficios. Muchos usuarios prefieren combinar un paso de oxidación por plasma en la última fase del procesamiento para producir una capa lisa de óxidos de color negro azabache que sea resistente al desgaste y la corrosión.

Como los iones de nitrógeno se obtienen por ionización, a diferencia de los baños de gas o de sal, la eficiencia de la nitruración por plasma no depende de la temperatura. Por lo tanto, la nitruración por plasma se puede realizar en un amplio rango de temperaturas, desde 260 °C hasta más de 600 °C. ^[4] Por ejemplo, a temperaturas moderadas (como 420 °C), los aceros inoxidables se pueden nitrurar sin la formación de precipitados de nitruro de cromo y, por lo tanto, manteniendo sus propiedades de resistencia a la corrosión. ^[5]

En los procesos de nitruración por plasma, el gas nitrógeno (N2 ₎ es normalmente el gas portador de nitrógeno. También se utilizan otros gases como el hidrógeno o el argón . De hecho, el argón y el hidrógeno se pueden utilizar antes del proceso de nitruración durante el calentamiento de las piezas para limpiar las superficies que se van a nitrurar. Este procedimiento de limpieza elimina eficazmente la capa de óxido de las superficies y puede eliminar capas finas de disolventes que podrían quedar. Esto también ayuda a la estabilidad térmica de la planta de plasma, ya que el calor añadido por el plasma ya está presente durante el calentamiento y, por tanto, una vez que se alcanza la temperatura del proceso, la nitruración propiamente dicha comienza con pequeños cambios de calentamiento. Para el proceso de nitruración también se añade gas hidrógeno para mantener la superficie libre de óxidos. Este efecto se puede observar analizando la superficie de la pieza bajo nitruración (véase, por ejemplo, ^[6] ).

Entre los aceros que se pueden nitrurar fácilmente se incluyen las series SAE 4100 , 4300, 5100, 6100, 8600, 8700, 9300 y 9800, los grados de acero de calidad aeronáutica del Reino Unido BS 4S 106, BS 3S 132, 905M39 (EN41B), los aceros inoxidables, algunos aceros para herramientas (H13 y P20, por ejemplo) y ciertas fundiciones. Lo ideal es que los aceros para nitruración estén en estado templado y revenido, lo que requiere que la nitruración se realice a una temperatura inferior a la última temperatura de revenido. Lo mejor es un acabado superficial torneado o rectificado. Se deben eliminar cantidades mínimas de material después de la nitruración para preservar la dureza de la superficie.

Las aleaciones de nitruración son aceros aleados con elementos formadores de nitruro como el aluminio, el cromo , el molibdeno y el titanio.

En 2015, se utilizó la nitruración para generar una microestructura dúplex única en una aleación de hierro y manganeso ( martensita - austenita , austenita - ferrita ), conocida por estar asociada con propiedades mecánicas fuertemente mejoradas. ^[7]

En la década de 1920 se inició una investigación sistemática sobre el efecto del nitrógeno en las propiedades superficiales del acero. La investigación sobre la nitruración gaseosa comenzó de forma independiente tanto en Alemania como en Estados Unidos. El proceso fue recibido con entusiasmo en Alemania y se desarrollaron varios grados de acero con la nitruración en mente: los llamados aceros de nitruración. La recepción en Estados Unidos fue menos impresionante. Con tan poca demanda, el proceso fue prácticamente olvidado en Estados Unidos. Después de la Segunda Guerra Mundial, el proceso se reintrodujo desde Europa. En las últimas décadas se han realizado muchas investigaciones para comprender la termodinámica y la cinética de las reacciones involucradas.

• Aburrido
• Carburación
• Carbonitruración
• Nitrocarburación ferrítica
• Acabado de superficies

• Chatterjee-Fischer, Ruth (1995). Wärmebehandlung von Eisenwerkstoffen: Nitrieren und Nitrocarburieren [ Tratamiento térmico de materiales ferrosos: nitruración y nitrocarburación ] (en alemán) (2ª ed.). Expert-Verlag. ISBN 3-8169-1092-0.
• Chattopadhyay, Ramnarayan (2004). "Nitruración por plasma". Procesos avanzados de ingeniería de superficies con asistencia térmica. Berlín: Springer. págs. 90–94. ISBN 1-4020-7696-7.
• Pye, David (2003). Nitruración práctica y nitrocarburación ferrítica . ASM International . ISBN. 978-0871707918.^[1]

• «MIL-S-6090A, especificación militar: proceso para aceros utilizados en la carburación y nitruración de aeronaves». Departamento de Defensa de los Estados Unidos . 7 de junio de 1971. Archivado desde el original el 29 de agosto de 2019. Consultado el 20 de junio de 2012 .
• Introducción a la nitruración Archivado el 15 de diciembre de 2011 en Wayback Machine
• ECM USA, fabricante de hornos de vacío: nitruración con gas purgado al vacío. https://www.ecm-usa.com/applications/nitriding
• ECM USA, fabricante de hornos de vacío: FNC Ferritic Nitrocarburizing. https://www.ecm-usa.com/applications/ferritic-nitrocarburizing-fnc